C/C++ 結(jié)構(gòu)體的一個(gè)高級(jí)特性 ―― 指定成員的位數(shù)

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在大多數(shù)情況下，我們一般這樣定義結(jié)構(gòu)體：

struct student

{

????????????? ? unsigned int sex;

????????????? unsigned int age;

};

對(duì)于一般的應(yīng)用，這已經(jīng)能很充分地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)了的 “ 封裝 ” 。

但是，在實(shí)際工程中，往往碰到這樣的情況：那就是要用一個(gè)基本類(lèi)型變量中的不同的位表示不同的含義。譬如一個(gè) cpu 內(nèi)部的標(biāo)志寄存器，假設(shè)為 16 bit ，而每個(gè) bit 都可以表達(dá)不同的含義，有的表示結(jié)果是否為 0 ，有的表示是否越界等等。這個(gè)時(shí)候我們用什么數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)表達(dá)這個(gè)寄存器呢？

答案還是結(jié)構(gòu)體！

為達(dá)到此目的，我們要用到結(jié)構(gòu)體的高級(jí)特性，那就是在基本成員變量的后面添加“ : 數(shù)據(jù)位數(shù)”組成新的結(jié)構(gòu)體：

struct xxx

{

????????????? 成員 1 類(lèi)型成員 1 : 成員 1 位數(shù) ;

?????? ????? ? 成員 2 類(lèi)型成員 2 : 成員 2 位數(shù) ;

?????? ????? ? 成員 3 類(lèi)型成員 3 : 成員 3 位數(shù) ;

};

基本的成員變量就會(huì)被拆分！這個(gè)語(yǔ)法在初級(jí)編程中很少用到，但是在高級(jí)程序設(shè)計(jì)中不斷地被用到！例如：

struct student

{

????????????? ? unsigned int sex : 1;

????????????? unsigned int age : 15;

};

上述結(jié)構(gòu)體中的兩個(gè)成員 sex 和 age 加起來(lái)只占用了一個(gè) unsigned int 的空間（假設(shè) unsigned int 為 16 位）。

基本成員變量被拆分后，訪問(wèn)的方法仍然和訪問(wèn)沒(méi)有拆分的情況是一樣的，例如：

struct student sweek;

sweek.sex = MALE;// 這里的 MALE 只能是 0 或 1 ，值不能大于 1

sweek.age = 20;

雖然拆分基本成員變量在語(yǔ)法上是得到支持的，但是并不等于我們想怎么分就怎么分，例如下面的拆分顯然是不合理的：

struct student

{

????????????? ??? unsigned int sex : 1;

????????????? ? unsigned int age : 12;

};

這是因?yàn)?/span> 1+12 = 13 ，不能再組合成一個(gè)基本成員，不能組合成 char 、 int 或任何類(lèi)型，這顯然是不能 “ 自圓其說(shuō) ” 的。

在拆分基本成員變量的情況下，我們要特別注意數(shù)據(jù)的存放順序，這還與 CPU 是 Big endian 還是 Little endian 來(lái)決定。 Little endian 和 Big endian 是 CPU 存放數(shù)據(jù)的兩種不同順序。對(duì)于整型、長(zhǎng)整型等數(shù)據(jù)類(lèi)型， Big endian 認(rèn)為第一個(gè)字節(jié)是最高位字節(jié)（按照從低地址到高地址的順序存放數(shù)據(jù)的高位字節(jié)到低位字節(jié)）；而 Little endian 則相反，它認(rèn)為第一個(gè)字節(jié)是最低位字節(jié)（按照從低地址到高地址的順序存放數(shù)據(jù)的低位字節(jié)到高位字節(jié)）。

我們定義 IP 包頭結(jié)構(gòu)體為：

struct iphdr {

#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)

?????? __u8?????? ihl:4,

?????? ?????? version:4;

#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)

?????? __u8?????? version:4,

???? ?????? ihl:4;

#else

#error?????? "Please fix <asm/byteorder.h>"

#endif

?????? __u8?????? tos;

?????? __u16?????? tot_len;

?????? __u16?????? id;

?????? __u16?????? frag_off;

?????? __u8?????? ttl;

?????? __u8?????? protocol;

?????? __u16?????? check;

?????? __u32?????? saddr;

?????? __u32?????? daddr;

?????? /*The options start here. */

};

在 Little endian 模式下， iphdr 中定義：

?????? __u8?????? ihl:4,

?????? ?????? version:4;

其存放方式為：

第 1 字節(jié)低 4 位 ?ihl

第 1 字節(jié)高 4 位 ?version （ IP 的版本號(hào)）

若在 Big endian 模式下還這樣定義，則存放方式為：

第 1 字節(jié)低 4 位 ?version （ IP 的版本號(hào)）

第 1 字節(jié)高 4 位 ?ihl

這與實(shí)際的 IP 協(xié)議是不匹配的，所以在 Linux 內(nèi)核源代碼中， IP 包頭結(jié)構(gòu)體的定義利用了宏：

#if defined(__LITTLE_ENDIAN_BITFIELD)

…

#elif defined (__BIG_ENDIAN_BITFIELD)

…

#endif

來(lái)區(qū)分兩種不同的情況。

由此我們總結(jié)全文的主要觀點(diǎn)：

（ 1 ） ?????? C/C++ 語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體支持對(duì)其中的基本成員變量按位拆分；

（ 2 ） ?????? 拆分的位數(shù)應(yīng)該是合乎邏輯的，應(yīng)仍然可以組合為基本成員變量；

要特別注意拆分后的數(shù)據(jù)的存放順序，這一點(diǎn)要結(jié)合具體的 CPU 的結(jié)構(gòu)。

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該文是由宋寶華處轉(zhuǎn)載而來(lái)的，筆者以前從未知道結(jié)構(gòu)體還可以這樣用法，筆者做過(guò)嘗試，再 VC 下用過(guò)的感受有兩點(diǎn)

1、????????????? 結(jié)構(gòu)體按位拆分時(shí)，雖然宋兄提醒不能拆分如文中紅色背景顯示的情況，但是本人試過(guò)，并非是不可以的，而且如果 CPU 支持 32 的話，顯然文中的以 16 位來(lái)分配的話也是沒(méi)有達(dá)到要求的。

2、????????????? 按位拆分時(shí)字節(jié)數(shù)目問(wèn)題，我們先看兩例

?????? struct student1

?????? {

????????????? unsigned char sex : 1;

????????????? unsigned int? no : 5;

????????????? char??????? ??age : 7;

????????????? int????????? grade : 10;

?????? };

?

????????????? struct student2

?????? {

????????????? unsigned char sex : 1;

????????????? char??????? ? ?age : 7;

????????????? unsigned int ?no : 5;???????????

????????????? int????????? grade : 10;

?????? };

以上兩例中雖然意思并不大，但是如果按 int 為 2 字節(jié) 16 位 char 為 1 字節(jié) 8 位來(lái)劃分內(nèi)存的話，那么 student1 占用了 6 字節(jié)共 48 位，但是實(shí)際使用了 23 位，另外 25 位沒(méi)定義，而 student2 占用了 3 字節(jié)共 24 位，但是實(shí)際使用也是 23 位。這個(gè)過(guò)程，我把它總結(jié)為前后變量的類(lèi)型不一致時(shí)，字節(jié)就重新分配。

3、????????????? 賦值過(guò)程中數(shù)據(jù)編碼問(wèn)題。還看兩例

?????? student1 ss;

?????? ss.age = 255;

?????? student2 st;

?????? st.age= 191;

ss.age 的值為 -1 ，而 st.age 的值為 63 ，其實(shí) 255 為 11111111 ，因?yàn)槭?/span> 7 位，所以采用截?cái)喾绞剑兂?/span> 1111111 ，又因?yàn)?/span> age 是有符號(hào)的變量，所以根據(jù)負(fù)數(shù)的編碼規(guī)則賦值 255 時(shí)得到的結(jié)果就是 -1 。在這里采用了截?cái)嗟姆绞剑瑸橹拐_賦值時(shí)一定不能大于位數(shù)編碼值。

以上是個(gè)人學(xué)習(xí)宋兄文章的小小實(shí)踐小結(jié)，歡迎大家給出更理論的總結(jié)。原文請(qǐng)查看 http://blog.donews.com/21cnbao/archive/2006/10/07/1054807.aspx